河南省汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)研究

井書文，方林，關(guān)健

(河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,鄭州 450016)

河南省汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)研究

井書文，方林，關(guān)健

(河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,鄭州 450016)

為了提高地質(zhì)災(zāi)害防治能力，河南省開展了汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)研究，研究從區(qū)域預(yù)警的角度，依據(jù)全面性、時效性、適用性、可替換性等原則選取了預(yù)警評價因子，采用了單元內(nèi)地質(zhì)條件具有一致性的斜坡單元作為預(yù)警評價單元，采用統(tǒng)計學(xué)的方法來研究全省地質(zhì)災(zāi)害影響因素潛勢度，分析地質(zhì)災(zāi)害與降雨的關(guān)系，建立地質(zhì)災(zāi)害與降雨關(guān)系模型，從而建設(shè)汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)。

地質(zhì)災(zāi)害；氣象預(yù)警；因子；斜坡單元；雨量

1 引言

為了加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治的基礎(chǔ)性工作，提高政府部門對地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警及應(yīng)急處置能力，避免和最大限度地減輕地質(zhì)災(zāi)害給人民生命財產(chǎn)造成的損失，河南省大力開展了汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)研究。

2003年，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院研制了第一代國家級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)：主要是采用臨界降雨量判據(jù)圖(α～β線)方法，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害樣本與降雨量統(tǒng)計關(guān)系確定了預(yù)警區(qū)的臨界雨量判據(jù)作為預(yù)警等級發(fā)布的依據(jù)。2008年，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院研發(fā)完成了基于顯示統(tǒng)計方法的第二代國家級地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。

為了提升河南省汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警能力和水平，保證及時有效地向可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的公眾和相關(guān)部門發(fā)出防災(zāi)預(yù)報預(yù)警信息，為公眾防災(zāi)自救和政府防災(zāi)管理提供科學(xué)依據(jù)，最大限度地減少地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，河南省開展了新一代汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)研究：從區(qū)域預(yù)警的角度，采用統(tǒng)計學(xué)的方法來研究全省地質(zhì)災(zāi)害影響因素潛勢度，分析地質(zhì)災(zāi)害與降雨的關(guān)系，建立地質(zhì)災(zāi)害與降雨關(guān)系模型，從而建設(shè)汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)。

2 河南省地質(zhì)災(zāi)害概況

河南省是我國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)省份之一，境內(nèi)有太行山、伏牛山、桐柏山、大別山四大山脈，橫跨長江、淮河、黃河、海河四大流域，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，自然變異強(qiáng)烈，獨特的自然地理條件和地質(zhì)環(huán)境背景造成了一系列地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)2 177個有詳細(xì)時間記錄的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害記錄，河南省地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)生在6月～9月4個月份，占總樣本數(shù)的89.25%，與河南省汛期出現(xiàn)月份相吻合，突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害與汛期降雨有極強(qiáng)的相關(guān)性。

3 地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)路線

地質(zhì)環(huán)境條件是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的內(nèi)部因素，氣象條件是地質(zhì)災(zāi)害的外因和觸發(fā)機(jī)制。在省級尺度上從地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的機(jī)理分析出發(fā)，開展統(tǒng)計分析，將統(tǒng)計結(jié)果與機(jī)理研究結(jié)合起來。通過分析河南省歷史上發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的分布、種類及所處的地質(zhì)環(huán)境條件，確定地質(zhì)災(zāi)害敏感性因子，從而針對不同氣象條件，分析雨量因子，開展預(yù)警預(yù)報模型的方法研究，最終分區(qū)建立不同的預(yù)警模型，確定預(yù)警等級。

4 模型建立

合理的選擇地質(zhì)環(huán)境影響因子、建立科學(xué)的分析方法，并針對不同氣象條件，分析雨量因子，開展預(yù)警預(yù)報模型的方法研究，最終建立預(yù)警模型。

(1) 地質(zhì)環(huán)境影響因子圖層編制

充分考慮到影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境背景、歷史地質(zhì)災(zāi)害點分布、社會經(jīng)濟(jì)及人類工程活動等因素，依據(jù)全面性、時效性、適用性、可替換性等原則，論證選取了海拔高度、地貌類型、年均降雨量、地面坡度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體、植被分布、水系分布、交通道路分布、村莊分布以及礦山分布等共計11個因子圖層作為預(yù)警區(qū)的評價因子。

(2) 斜坡單元剖分建立基本預(yù)警單位

地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)報預(yù)警是對一定區(qū)域在一定時間段內(nèi)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的等級進(jìn)行預(yù)報預(yù)警，以自然斜坡為基本預(yù)警單元，具有在單元內(nèi)地質(zhì)條件一致性的優(yōu)點，提供了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警判據(jù)的可靠基礎(chǔ)。

(3) 地質(zhì)災(zāi)害影響相關(guān)關(guān)系

為綜合考慮每個預(yù)警單元內(nèi)的地形地貌、地質(zhì)因素、植被及人類活動等地質(zhì)環(huán)境因子，分析各因素對崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的敏感性，研究中引入了潛勢度的概念。經(jīng)過對河南省歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境影響因子數(shù)據(jù)，綜合計算得出各評價因子對于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的權(quán)重貢獻(xiàn)。

(4) 雨量數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作時，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨因子由前期降雨量和預(yù)報降雨量組成。

本次預(yù)警模型構(gòu)建選取有效降雨量Rc和預(yù)報雨量Rp作為雨量因子：有效降雨量用一段時間的當(dāng)天降雨量分別乘以有效降雨系數(shù)得到。

為了確定哪一降雨因子與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生關(guān)系密切，通過逐日地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前15 d的降雨因子的相關(guān)分析，經(jīng)統(tǒng)計，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與前7 d累積降雨量的相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.9以上，而與8 d到15 d的累積降雨量相關(guān)性差。因此，在河南省汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)中，n取值為7。

(5) 地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型建立

本系統(tǒng)采用多元線性回歸預(yù)測模型作為預(yù)警模型，選取“地質(zhì)災(zāi)害潛勢度”(G)作為地質(zhì)環(huán)境條件因素的綜合指標(biāo)；“有效降雨量”Rc和“預(yù)報降雨量”Rp作為降雨誘發(fā)因素的指標(biāo)；以G、Rc、Rp作為輸入量，以歷史地質(zhì)災(zāi)害點的實際發(fā)生情況作為輸出量，開展統(tǒng)計分析，建立顯式統(tǒng)計的預(yù)警模型:

T=f(G,RC,Rp)

5 關(guān)健技術(shù)

5.1 斜坡單元

傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警單元多采用單元網(wǎng)格剖分法，單元預(yù)警數(shù)據(jù)的分析判斷缺少地質(zhì)條件一致性的支持。斜坡單元作為預(yù)警評價單元，可以與地質(zhì)環(huán)境條件緊密聯(lián)系，綜合體現(xiàn)各類控制或影響因素的作用，使評價結(jié)果更接近于實際。

斜坡單元建立在現(xiàn)有地形基礎(chǔ)上，通過山脊線、山谷線及河流組合進(jìn)行劃分，與工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害研究對象是一致的。斜坡單元是滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的基本單元，并且在各類控制或影響因素中，河流和溝谷的發(fā)育階段對地質(zhì)災(zāi)害形成具有明顯的控制作用。斜坡單元內(nèi)部條件具有最大均一性，同時斜坡單元之間存在明顯差異性。斜坡單元是區(qū)域到點預(yù)報預(yù)警的重要橋梁，在預(yù)報預(yù)警中起到基礎(chǔ)性作用。

斜坡單元剖分的獲取方式經(jīng)過多次論證，采取了基于DEM數(shù)據(jù)的地表水文分析，包括正反地形無洼地DEM的生成、水流方向的提取、匯流累積量的計算、河網(wǎng)的生成、集水流域的生成等關(guān)鍵步驟，其基本原理是利用正反地形分別提取山谷線和山脊線(分別對應(yīng)于匯水線和分水線)，把生成的集水流域與反向集水流域融合，再經(jīng)后期處理人工修改不合理的單元，最終得到的由匯水線與分水線所組成的區(qū)域即為斜坡單元(圖1)。經(jīng)過對河南全省的DEM數(shù)據(jù)提取、剖分，最終河南省共剖分斜坡單元108 817個。

圖1 斜坡單元剖分流程圖

5.2 分區(qū)因子與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)性研究

分區(qū)因子的選擇、相關(guān)性判斷是預(yù)警模型建立的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過對河南省近10 a來有效地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，取得各因子的權(quán)重數(shù)值。

(1) 分區(qū)因子量化

本項目采用廣泛使用的確定系數(shù)模型(CF)對地質(zhì)環(huán)境影響因子圖層進(jìn)行量化。某單元格的每個因子的CF值直接代表了該因子對地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)與否的貢獻(xiàn)值。CF函數(shù)具體表示為：

式中,PPa為事件(地質(zhì)災(zāi)害)在數(shù)據(jù)a類中發(fā)生的條件概率，應(yīng)用時為數(shù)據(jù)類a中存在的地質(zhì)災(zāi)害個數(shù)與數(shù)據(jù)類a面積的比值；PPs為地質(zhì)災(zāi)害在整個研究區(qū)A中發(fā)生的先驗概率，可以表示為整個研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害的個數(shù)與研究區(qū)面積的比值(圖2)。

圖2 地貌類型CF值樣例

(2) 分區(qū)因子權(quán)重確定

確定性系數(shù)(CF)實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害各影響因子的定量化表達(dá)，采用基于CF的多因子疊加權(quán)重法，通過各因子之間的CF值數(shù)學(xué)統(tǒng)計計算，確定各因子之間相對權(quán)重的大小(表1)。為使合并結(jié)果易于解釋，將合并后的CF值進(jìn)行分類。

x和y為要合并因子的CF值;Z為合并后的結(jié)果。

隨后根據(jù)下式計算各因子權(quán)重，得出每個因子的相對貢獻(xiàn)大?。?/p>

計算出每個因子圖層的相對貢獻(xiàn)大小以后，經(jīng)歸一化后得到各因子的權(quán)重：

(3) 分區(qū)潛勢度計算

潛勢度計算運用綜合指數(shù)法進(jìn)行計算：

表1 河南省各預(yù)警區(qū)因子權(quán)重值示例

將參與計算的斜坡預(yù)警單元，按以上公式分別計算潛勢度。對各區(qū)潛勢度的計算結(jié)果，采取統(tǒng)一的概率量化指標(biāo)，并結(jié)合研究實際，對潛勢度分級劃分，形成河南省潛勢度分布圖。

圖3為潛勢度計算結(jié)果與災(zāi)害密度對比，顯示地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害密度隨潛勢度增大而增大，經(jīng)過一系列驗證，證明了潛勢度充分體現(xiàn)出了地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣程度。

圖3 潛勢度計算結(jié)果與災(zāi)害點密度對比圖

6 主要成果

(1) 系統(tǒng)分析研究了河南省突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害與地形地貌、工程地質(zhì)巖性、地質(zhì)構(gòu)造、植被、交通、水系、區(qū)域降雨等因素的關(guān)系，從而確定了以上地質(zhì)環(huán)境因素是河南省突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要孕育因素。

(2) 采用斜坡單元為預(yù)警對象研制地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警軟件，清晰的反映了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與斜坡坡面的關(guān)系，其對預(yù)警結(jié)果的應(yīng)急響應(yīng)定位也更具有針對性，對提高預(yù)警準(zhǔn)確程度和科學(xué)管理意義重大。

(3) 系統(tǒng)采用多元線性回歸統(tǒng)計對潛勢度、前期降雨及預(yù)報降雨進(jìn)行計算，生成預(yù)警等級。模型以地質(zhì)災(zāi)害潛勢度為基本概率，以非線性特征考慮潛勢度與降雨耦合作用帶來的概率增量，具有實際應(yīng)用上的意義。

[1] 劉傳正.重大地質(zhì)災(zāi)害防治理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] 劉艷輝.中國地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2015,23(4):738-746.

[3] 殷坤龍.滑坡災(zāi)害風(fēng)險分析[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

STUDYONMETEOROLOGICALEARLYWARNINGTECHNOLOGYOFGEOLOGICALHAZARDSINFLOODSEASONINHENANPROVINCE

JING Shu-wen，F(xiàn)ANG Lin，GUAN Jian

(Henan Province Geological Environment Monitoring Institute,Zhengzhou 450016，China)

In order to improve the ability of geological disaster prevention and control, Henan Province carried out the meteorological early warning technology of geological disasters in flood season. From the perspective of regional early warning, the early warning evaluation factor was selected according to the principle of comprehensiveness, timeliness, applicability and substitutability. The geological conditions of the unit with the consistency of the slope unit as an early warning evaluation unit, the use of statistical methods to study the province’s geological hazards affecting the potential of the degree of analysis of the relationship between geological disasters and rainfall, the establishment of geological hazard and rainfall relationship model, thus Construction of Meteorological Early Warning System for Geological Hazards in Flood Season.

geological disaster；weather warning；factor；ramp unit；rainfall

1006-4362(2017)03-0101-04

2017-03-31改回日期2017-04-30

P429

A

井書文(1973- )，男，工程師，河南鄭州人,主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究工作。E-mail:zzjsw@163.com